Analysis of different hydrogen fuel cell-based propulsive systems for road freight transport

Abstract

[ES] El presente trabajo de fin de máster se centra en el uso de sistemas de pila de combustible de hidrógeno de intercambio protónico (PEMFCS) en vehículos de transporte de mercancía por carretera, tanto pesado (HDV) como ligero (LCV). El desarrollo del presente trabajo se puede dividir en tres partes diferenciadas según el objetivo de los estudios realizados. Por un lado, se estudia el impacto del cambio de tamaño de los FCS en un camión cuya planta propulsiva está formada por dos FCS y una batería eléctrica con un motor eléctrico. En este caso, se analiza el impacto de la arquitectura al mismo tiempo que se estudia la influencia del uso de diferentes dinámicas en estos sistemas. Esto lleva a la conclusión de que, para FCS del mismo tamaño, el uso de dinámicas bajas lleva a un aumento considerable de la durabilidad (471%) para una penalización admisible en el consumo de H2 (3.8%). En el caso de FCS de diferente tamaño, es interesante ver como una dinámica alta en la pila de menor tamaño y dinámica baja en la grande, conlleva una mejora importante en la durabilidad del sistema para un incremento despreciable (0.7%) en el consumo de H2. Este tipo de hallazgos se consideran muy significativos para los fabricantes de camiones de FCS, ya que les permiten optimizar el diseño de la planta propulsiva en base a las prestaciones que requiera su vehículo. Por otro, se realiza el estudio de diferentes combinaciones de tamaños de FCS y baterías eléctricas en un vehículo comercial de transporte ligero de mercancías. Este estudio se realiza teniendo en cuenta las diferentes misiones para las que suelen utilizarse estas furgonetas. El posterior análisis de estas misiones estudia tanto rendimiento del vehículo, basado en su autonomía y durabilidad de la FCS, como el análisis de las emisiones en su ciclo de vida (LCA) y el coste total de propiedad (TCO). En primer lugar, se realiza un estudio preliminar con 3 arquitecturas muy diferentes entre sí: Full Load (FL), Mid-power (MP) y Range extender (REx). Las arquitecturas propuestas combinan de mayor a menor tamaño de FCS con una batería de menor a mayor tamaño respectivamente. Esto lleva a la conclusión de que la misión concreta del vehículo de transporte ligero es lo que determinará la arquitectura más adecuada. Sin embargo, de forma general, la arquitectura de MP es la más beneficiosa para un LCV. Esto abre el camino a estudios posteriores con un mayor número de arquitecturas que permita concretar cual es la arquitectura óptima de esta planta propulsiva. Finalmente, los dos estudios anteriores muestran que los FCS de potencia media tienen un alto potencial de uso en los vehículos de transporte por carretera. En el caso de los HDV, su uso modular con otros FCS representa grandes ventajas debido a la capacidad de poder utilizar diferentes dinámicas en cada sistema. Por otro lado, en el caso de los LCV, el diseño de MP, que utiliza un FCS de 60 kW es prometedor para las típicas misiones de furgonetas. Esto lleva a la dedicación de un estudio concreto de un FCS de 60 kW, el E-60-HD de Nuvera. En este caso, se utilizan las capacidades experimentales de CMT para realizar una caracterización estacionaria de este sistema en diferentes condiciones ambientes. Esta campaña experimental lleva a la obtención de un base de datos sobre FCS de alto valor investigador, ya que, no se han encontrado en la literatura existente datos sobre un sistema completo de FC para diferentes condiciones ambientes. Además, este estudio permite analizar en detalle los procesos que tienen lugar en los diferentes circuitos del sistema (ánodo, cátodo y sistema de refrigeración). En conclusión, se ha realizado un estudio exhaustivo del uso de FCS en vehículos de transporte de mercancías por carretera que incluye tanto trabajo experimental como estudios basados en herramientas de simulación. El alto valor académico de este trabajo tiene como resultado una publicación JCR, tres ponencias en congresos y otras dos futuras publicaciones J

[EN] The present master's thesis focuses on the use of Proton Exchange Membrane Fuel Cell Systems (PEMFCS) in heavy-duty (HDV) and light commercial vehicles (LCV) for road freight transport. The development of this thesis can be divided into three different parts according to the objectives of the studies that have been made. Firstly, the impact of changing the size of the FCS in a truck with a powertrain consisting of two FCS and an electric battery with an electric motor is analyzed. In this case, the impact of the architecture is studied together with the influence of using different dynamics in these systems. It is concluded that, for FCS of the same size, the use of low dynamics leads to a considerable increase in durability (471%) for an acceptable penalty in H2 consumption (3.8%). In the case of FCS of different powers, it is interesting to see how high dynamics in the smaller stack and low dynamics in the larger one result in a significant improvement in system durability for a negligible increase (0.7%) in H2 consumption. Such findings are considered highly significant for FCS truck manufacturers as they enable them to optimize the design of the powertrain based on the performance required by their vehicles. Secondly, the study examines different combinations of FCS sizes and electric batteries in a light commercial vehicle, considering the various missions for which these vans are typically used. The subsequent analysis of these missions considers both vehicle performance, based on its autonomy and FCS durability, as well as the analysis of emissions over its life cycle (LCA) and total cost of ownership (TCO). A preliminary study is conducted with three very different architectures: Full Load (FL), Mid-power (MP), and Range Extender (REx). The proposed architectures combine FCS size from larger to smaller with battery size from smaller to larger, respectively. It is concluded that the specific mission of the LCV determines the most suitable architecture. However, in general, the MP architecture is most beneficial for an LCV. This paves the way for further studies with a greater number of architectures to determine the optimal architecture of this powertrain. Finally, the two previous studies show that medium-power FCS have high potential for use in road transport vehicles. For HDVs, their modular use with other FCS offers significant advantages due to the ability to use different dynamics in each system. On the other hand, in the case of LCVs, the design of MP, which uses a 60 kW FCS, shows promise for typical van missions. This leads to a dedicated study of a 60 kW FCS, the E-60-HD by Nuvera. In this case, the experimental capabilities of CMT are used to conduct a steady characterization of this system under different ambient conditions. This experimental campaign leads to the acquisition of a high-value research database on FCS, as no data on a complete FCS for different operating conditions have been found in the existing literature. Additionally, this study allows for a detailed analysis of the processes taking place in the different circuits of the system (anode, cathode, and cooling system). In conclusion, a comprehensive study of the use of FCS in road freight transport vehicles has been conducted, including both experimental work and studies based on simulation tools. The high academic value of this work has resulted in a JCR publication, three conference presentations, and two future JCR publications.